DE102014116205B4

DE102014116205B4 - Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode und Leuchtdiode

Info

Publication number: DE102014116205B4
Application number: DE102014116205.6A
Authority: DE
Inventors: Dominik Scholz; Martin Mandl; Martin Strassburg; Tilman Schimpke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: DE102014116205A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) mit den Schritten- Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2),- Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (3) auf eine Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberfläche (2a) als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) ausgebildet ist, wobei für das Aufbringen der Strukturelemente (3) die folgende Methode verwendet wird:- Bereitstellen eines weiteren Substrats (1a), wobei auf dem weiteren Substrat (1a) eine Maske (4) angeordnet wird, wobei die Maske (4) strukturiert wird, so dass die Maske (4) nach der Strukturierung Öffnungen (4a) aufweist, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente (3) in den Öffnungen (4a) dreidimensional gewachsen werden, wobei die dreidimensional gewachsenen Strukturelemente (3) vom weiteren Substrat (1a) abgelöst werden, wobei die vom weiteren Substrat (1a) abgelösten Strukturelemente (3) zur Bildung einer Suspension in eine Flüssigkeit (5) eingebracht werden und mit der Flüssigkeit (5) auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder der Leuchtdiode (10) aufgebracht werden,- Einbringen eines Konvertermaterials (6) in die dreidimensionalen Strukturelemente (3), wobei- die Strukturelemente (3) mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition auf der abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdiode (10) und/oder auf der Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet werden,- die Flüssigkeit (5) ein Lösemittel oder Wasser ist, und- das Konvertermaterial (6) nach dem Aufbringen der Strukturelemente (3) in die Strukturelemente (3) eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode und eine Leuchtdiode.
Verfahren mittels derer Strukturen zum Auskoppeln von Strahlung auf strahlungabstrahlenden Schichten ausgebildet werden verändern üblicherweise die Abstrahlfläche dieser Schichten und tragen deren Material ab. Bei Halbleitern erfolgen beispielsweise Ätzprozesse des Halbleiters um Aufrauungen oder andere Auskoppelstrukturen in den Halbleiter hineinzuätzen. Solche Verfahren erfordern einen entsprechend hohen Dickenvorhalt des Halbleiters um nach dem Ätzen eine ausreichende Dicke des Halbleiters zu gewährleisten, was vor allem bei Epitaxieverfahren einen langen und kostenintensiven Herstellungsprozess erfordert.
Aus den Druckschriften US 2009 / 0 261 318 A1 und US 2011 / 0 249 468 A1 sind ein lichtemittierendes Halbleiterbauteile mit Halbleiterstrukturelementen bekannt.
Aus der Druckschrift DE 103 20 160 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkörpern bekannt, bei dem eine strukturierte Maskenschicht verwendet wird.
Aus der Druckschrift US 2008 / 0 185 604 A1 ist ein lichtemittierendes Bauelement bekannt, das eine lichtemittierende Diode und Nanostäbe als Leuchtstoff aufweist.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 053 362 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips angegeben, bei dem eine wellenlängenkonvertierende Schicht über einem Halbleiterkörper mittels Sedimentation oder Elektrophorese aufgebracht wird.
Aus der Druckschrift BERGBAUER, W. [et al.]: Continuous-flux MOVPE growth of position-controlled N-face GaN nanorods and embedded InGaN quantum wells. In: Nanotechnology, 21. Jg, 2010, Nr. 30, S. 305201, ist ein Verfahren zum Aufwachsen von GaN Nanostäben mittels Metallorganische Gasphasenepitaxie bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode sowie eine Leuchtdiode anzugeben, welche sich durch Strukturelemente zur Auskopplung von Strahlung aus der Leuchtdiode auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Erzeugnis gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ein solches Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf eine Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, wobei die Oberfläche als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist. Für das Aufbringen der Strukturelemente wird die folgende Methode verwendet:
- Bereitstellen eines weiteren Substrats, wobei auf dem weiteren Substrat eine Maske angeordnet wird, wobei die Maske strukturiert wird, so dass die Maske nach der Strukturierung Öffnungen aufweist, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente in den Öffnungen dreidimensional gewachsen werden, wobei die dreidimensional gewachsenen Strukturelemente vom weiteren Substrat abgelöst werden, wobei die vom weiteren Substrat abgelösten Strukturelemente zur Bildung einer Suspension in eine Flüssigkeit eingebracht werden und mit der Flüssigkeit auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge und/oder der Leuchtdiode aufgebracht werden, und die Flüssigkeit (5) ein Lösemittel oder Wasser ist.

Es erfolgt ein Einbringen eines Konvertermaterials in die dreidimensionalen Strukturelemente.
Die Strukturelemente werden mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition auf der abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf der Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge angeordnet.
Das Konvertermaterial wird nach dem Aufbringen der Strukturelemente in die Strukturelemente eingebracht.
Ein weiteres Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf eine Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, wobei die Oberfläche als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist. Für das Aufbringen der Strukturelemente wird die folgende Methode verwendet:

Aufbringen einer Maske auf die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge, wobei die Maske strukturiert wird, so dass die Maske nach der Strukturierung Öffnungen aufweist, und die dreidimensionalen Strukturelemente in den Öffnungen dreidimensional gewachsen werden, wobei die Strukturierung der Maske mittels eines selbstorganisierten Prozesses erfolgt.

Es erfolgt ein Einbringen eines Konvertermaterials in die dreidimensionalen Strukturelemente, wobei das Konvertermaterial während des Wachstums der Strukturelemente in die Strukturelemente eingebracht wird.
Die Leuchtdiode, die diese Aufgabe löst, umfasst:

- ein Substrat mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, und
- eine Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf einer Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, wobei die Oberfläche als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist, wobei
- die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert,
- die Strukturelemente mikroporöses GaN aufweisen, in die ein Konvertermaterial eingebracht ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode wird ein Substrat mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge bereitgestellt. Weiterhin wird gemäß dem Verfahren eine Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf eine abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf eine Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, wobei die Oberfläche als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist.
Das Anordnen der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge erfolgt vorteilhaft in einem epitaktischen Aufwachsprozess auf dem Substrat. Das Substrat kann als Aufwachssubstrat beispielsweise Saphir oder Silizium umfassen. Die Halbleiterschichtenfolge weist vorteilhaft eine aktive Schicht und weitere Schichten auf, wobei die weiteren Schichten unterschiedlich dotiert sein können. Vorteilhafterweise basieren die Schichten der Halbleiterschichtenfolge auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Weiterhin ist es möglich auch weitere Materialien wie Arsenide, Phosphide, II-VI-Halbleiter sowie Kombinationen dieser mit GaN anzuwenden.
Nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge kann einerseits die zuletzt aufgewachsene und vom Substrat abgewandte Schicht der Halbleiterschichtenfolge deren Abstrahlfläche bilden, oder ein Hilfssubstrat (Wafer) wird auf der zuletzt aufgewachsenen Halbleiterschicht angeordnet und das Substrat (Aufwachssubstrat) von der Halbleiterschichtenfolge entfernt, wobei dann die zuerst aufgewachsene und freiliegende Halbleiterschicht die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge bildet. Das Ablösen des Substrats kann vorteilhaft mit bekannten Prozessen, beispielsweise nasschemisch oder laserbasiert, erfolgen.
Auf eine nach dem Aufwachsprozess der Halbleiterschichtenfolge oder dem Ablöseprozess des Substrats vorteilhaft glatte Oberfläche der Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge werden die dreidimensionalen Strukturelemente vorteilhaft in einem Muster aufgebracht, welches eine Auskopplung des in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Lichts an beliebiger Stelle der Abstrahlfläche begünstigt. Auf diese Weise wird die Effizienz der Lichtauskopplung aus der Halbleiterschichtenfolge begünstigt, wobei Strukturelemente nicht in das Material der abstrahlenden Halbleiterschicht eingebracht sondern auf diese aufgebracht werden. Die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge wird durch die Strukturelemente vorteilhaft vergrößert. Dabei weisen dreidimensionale Strukturelemente als Auskoppelstrukturen eine vorteilhafte Auskoppeleffizienz auf und/oder können durch ihre Form vorteilhaft die Richtung der Abstrahlung beeinflussen. Die dreidimensionalen Strukturelemente können beispielsweise als Kegel, Kegelstümpfe, Dome, Prismen, Pyramiden oder in anderen Formen oder aus Kombinationen dieser ausgebildet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Maske auf die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, wobei die Maske strukturiert wird, so dass die Maske nach der Strukturierung Öffnungen aufweist, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente in den Öffnungen dreidimensional gewachsen werden. Hierbei ist die Eigenschaft der Einkristallinität für die dreidimensionalen Strukturelemente nicht zwingend erforderlich.
Der Wachstumsprozess der Strukturelemente kann epitaktisch oder mit einem anderen Verfahren erfolgen. Eine Maske aus einem transparenten und isolierenden Material wie beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄, Ta₂O₅, Al₂O₃, oder aus einem transparenten und leitfähigen Material (TCO, Transparent Conductive Oxide), wie etwa ITO, ZnO, SnO₂, wird vorteilhaft auf die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Auch Kombinationen aus isolierenden und/oder leitfähigen Materialien sind hierfür denkbar. In einem Strukturierungsprozess werden an dafür vorgesehenen Bereichen der Maske Öffnungen in dieser erzeugt. Die Strukturierung erfolgt beispielsweise mittels einem Lithographieprozess. Die Öffnungen können vorteilhaft in Draufsicht auf die Maske ein Raster bilden. Zwischen der Halbleiterschichtenfolge und der Maske können dabei weitere Schichten oder Schichtfolgen aufgebracht sein, beispielsweise ein TCO.
Vorteilhaft können Bereiche der Maske, in welchen keine Auskopplung des Lichts aus der Halbleiterschichtenfolge erfolgen soll, keine Öffnungen in der Maske aufweisen. In diesen Bereichen sind somit Folgeprozesse zum Ausbilden von weiteren Komponenten wie beispielsweise Elektroden oder Metallisierungen vorteilhaft vereinfacht. Im Falle eines transparenten und leitfähigen Materials der Maske kann die Maske vorteilhaft zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes, beispielsweise eines p- oder eines n-Kontaktes der Halbleiterschichtenfolge, oder als eine stromaufweitende Schicht für die Halbleiterschichtenfolge verwendet werden.
Die Öffnungen legen vorteilhaft das Halbleitermaterial der unterhalb der Maske liegenden Halbleiterschicht frei. Dies hat den Vorteil, dass mit dem freiliegenden Halbleitermaterial in den Öffnungen Ankeimpunkte für ein weiteres Abscheiden oder Aufwachsen von dreidimensionalen Strukturelementen gegeben sind. Die Strukturelemente können in den Öffnungen der Maske daher dreidimensional, vorzugsweise epitaktisch, gewachsen werden und in einer zur Auskopplung des Lichts vorteilhaften Form, wie etwa Kegel, Kegelstümpfe, Dome usw., ausgebildet werden. Weiterhin ist es durch eine Vorgabe von Form, Größe und/oder Anordnung der Strukturelemente durch die Öffnungen möglich eine hohe Reproduzierbarkeit und Beeinflussbarkeit in Sinne einer optimierten Funktionalität der Strukturelemente zu erzielen, mit anderen Worten können formgleiche Strukturelemente mehrmals hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Maske mit einem Material gebildet, welches an den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge an deren Abstrahlfläche angepasst ist.
Zur Verbesserung der Lichtauskopplung kann das Material der Maske so gewählt sein, dass es einen Brechungsindex aufweist, welcher an den Brechungsindex der darunterliegenden Halbleiterschicht angepasst ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Öffnungen einen Durchmesser von kleiner als oder gleich 5 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Strukturierung der Maske mittels eines selbstorganisierenden Prozesses.
Durch einen selbstorganisierenden Prozess werden Öffnungen in der Maske vorteilhaft zufällig ausgebildet. Die Maske kann einerseits auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet werden und nachträglich mit einem selbstorganisierenden Prozess strukturiert werden oder durch einen selbstorganisierenden Prozess bereits in strukturierter Form auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet werden. Es ist möglich, dass durch einen selbstorganisierten Prozess Wachstumskeime und/oder -katalysatoren für die Auskoppelstrukturen aufgebracht werden. Für den Fall, dass die Maske bereits strukturiert aufgebracht wird, kann dies beispielsweise direkt im Anschluss an das Anordnen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat erfolgen, beispielsweise in der gleichen Epitaxieanlage wie zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge auf dem Substrat.Durch den selbstorganisierenden Prozess wird die Maske vorteilhaft nicht lückenlos ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die dreidimensionalen Strukturelemente durch einen selbstorganisierten Wachstumsprozess erzeugt.
Das Erzeugen von dreidimensionalen Strukturelementen durch einen selbstorganisierenden Wachstumsprozess erfolgt vorzugsweise ohne Anwendung einer Maske auf der Halbleiterschichtenfolge. Ein selbstorganisierender Wachstumsprozess der dreidimensionalen Strukturelemente erfolgt dabei direkt auf der Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge. Die Verteilung der Strukturelemente auf der Abstrahlfläche erfolgt dabei zufällig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein weiteres Substrat bereitgestellt, und auf dem weiteren Substrat eine Maske angeordnet, wobei die Maske strukturiert wird, so dass die Maske nach der Strukturierung Öffnungen aufweist.
Weiterhin werden gemäß der Ausführungsform des Verfahrens die dreidimensionalen Strukturelemente in den Öffnungen dreidimensional gewachsen, wonach die dreidimensional gewachsenen Strukturelemente vom weiteren Substrat abgelöst werden. Danach werden die dreidimensionalen Strukturelemente auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf die Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge aufgebracht.
Ein Ausbilden von dreidimensionalen Strukturelementen auf einem weiteren Substrat kann vorteilhaft epitaktisch oder mit einem anderen Verfahren erfolgen und ermöglicht vorteilhaft einen Herstellungsprozess der dreidimensionalen Strukturelemente ohne eine besondere Rücksichtnahme auf das weitere Substrat, welches nach dem Ablösen der dreidimensionalen Strukturelemente keine weitere Funktion für die Leuchtdiode hat. So kann die Herstellung von dreidimensionalen Strukturelementen unter Bedingungen wie beispielsweise hoher Temperatur erfolgen, welche bei der Herstellung von Strukturelementen auf einer Halbleiterschichtenfolge das Halbleitermaterial dieser oder Metall- und/oder Dielektrikaschichten, die zuvor auf dieser aufgebracht wurden, schädigen würde.
Das Ablösen der Strukturelemente vom weiteren Substrat kann in beliebiger Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Hochdruckprozess, ein Reinigungsprozess oder ein Abschälprozess angewandt werden. Bei einem Abschälprozess wird vorteilhaft ein Bindemittel eingesetzt, welches auf das weitere Substrat mit den Strukturelementen aufgebracht wird, so dass die Strukturelemente von dem Bindemittel eingebettet werden. Danach wird das Bindemittel ausgehärtet und vorteilhaft zusammen mit den Strukturelementen vom weiteren Substrat abgezogen. Nachträglich wird das abgezogene Bindemittel auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, und das Bindemittel von den Strukturelementen entfernt. Es ist auch denkbar, dass das Bindemittel nicht entfernt wird, sondern als Matrixmaterial dient.
Nach dem Ablösen können die Strukturelemente vorteilhaft beliebig oder je nach Anwendung auf die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die vom weiteren Substrat abgelösten Strukturelemente zur Bildung einer Suspension in eine Flüssigkeit eingebracht und mit der Flüssigkeit auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht.
Das Einbringen der abgelösten Strukturelemente in eine Flüssigkeit bildet vorteilhaft eine Suspension, welche vorteilhaft mit einfachen Prozessschritten auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei der Flüssigkeit um einen Lack oder um Wasser.
Bei der Flüssigkeit kann es sich auch um ein Lösemittel oder um ein Lösemittelgemisch handeln. Lack oder Wasser oder Lösemittel eignen sich vorteilhaft gut für das Bilden einer Suspension, in welcher die Strukturelemente gelöst sind ohne mit der Flüssigkeit wechselzuwirken oder von ihr chemisch angegriffen zu werden, beispielsweise findet kein Auflösen und keine sonstige Veränderung der Strukturelemente im Lack oder in Wasser oder im Lösemittel statt, wodurch die Strukturelemente in deren Form und Eigenschaft vorteilhaft erhalten bleiben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Suspension mit den Strukturelementen auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgesprüht oder aufgeschleudert.
Als eine besonders einfache und gut kontrollierbare Methode des Aufbringens der Strukturelemente eignet sich das Aufsprühen oder Aufschleudern der Suspension. Hierbei können Prozessparameter wie etwa die aufgebrachte Dicke der Suspension vorteilhaft kontrolliert und angepasst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Suspension mit den Strukturelementen auf die Leuchtdiode aufgebracht und die Strukturelemente mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition auf der abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf der Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge angeordnet.
Die vorteilhaft durch einen Prozess wie etwa Aufsprühen oder Aufschleudern aufgebrachte Suspension weist vorteilhaft stochastisch verteilte Strukturelemente in der Suspension auf. Mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition der Strukturelemente kann das Anordnen dieser auf der Abstrahlfläche der Leuchtdiode vorteilhaft beeinflusst werden. Elektrophoretische Deposition kann vorteilhaft mittels eines externen elektrischen Feldes erfolgen, falls die Strukturelemente eine Oberflächenladung aufweisen. Somit können Strukturelemente vorteilhaft auch auf Flächen angeordnet werden, welche nicht senkrecht auf die Richtung der Gravitation verlaufen. Durch geeignete Strukturierung kann die Position und/oder Ausrichtung der dreidimensionalen Strukturelemente gesteuert werden.
Alternativ dazu kann die Suspension mit den Strukturelementen auch auf Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden und die Strukturelemente mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition angeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Konvertermaterial in und/oder auf die dreidimensionalen Strukturelemente eingebracht oder aufgebracht.
Zur Konversion der Wellenlänge des von der Halbleiterschichtenfolge emittierten Lichts kann ein Konvertermaterial vorteilhaft in oder auf die Strukturelemente eingebracht oder aufgebracht werden. Bei dem Konvertermaterial kann es sich dabei vorteilhaft um ein Halbleitermaterial handeln, beispielsweise um ein Material aufweisend Quantentopfstrukturen, jedoch sind auch andere Typen von Konvertermaterialien anwendbar, beispielsweise keramische, organische und/oder anorganisch-organische Verbindungen. Durch das Konvertermaterial kann mittels der Strukturelemente daher auch eine wellenlängenabhängige Filterung des zu emittierenden Lichts erfolgen. So kann beispielsweise UV-Licht aus der emittierten Strahlung herausgefiltert werden oder die Transmission von kurzwelliger Strahlung verbessert werden.
Das Konvertermaterial kann vorteilhaft während des Wachstumsprozesses der Strukturelemente in manche oder in alle Strukturelemente eingebracht werden und bildet eine konvertierende Zone innerhalb dieser. Alternativ dazu kann das Konvertermaterial auch auf die Strukturelemente an deren zur Abstrahlung vorgesehenen Oberfläche aufgebracht werden. Es ist auch denkbar Konvertermaterialien gleichzeitig in und auf die Strukturelemente ein- und aufzubringen, wobei es sich auch um unterschiedliche Konvertermaterialien bei den jeweiligen Strukturelementen oder betreffend ein einziges Strukturelement handeln kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Konvertermaterial vor dem Aufbringen der Strukturelemente in und/oder auf die Strukturelemente eingebracht oder aufgebracht.
Das Ein- und/oder Aufbringen des Konvertermaterials auf oder in die Strukturelemente kann auf einem weiteren Substrat erfolgen, wobei ein Prozess angewandt werden kann, welcher sich zwar vorteilhaft für das Ein- und/oder Aufbringen des Konvertermaterials eignet, jedoch unter Bedingungen wie beispielsweise hoher Temperatur erfolgt, welche bei der Herstellung von Strukturelementen auf einer Halbleiterschichtenfolge das Halbleitermaterial dieser oder Metall- und/oder Dielektrikaschichten, die zuvor auf dieser aufgebracht wurden schädigen würde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Konvertermaterial nach dem Aufbringen der Strukturelemente in und/oder auf die Strukturelemente eingebracht oder aufgebracht.
Das Einbringen des Konvertermaterials in die Strukturelemente erfolgt beispielsweise durch Ionenimplementation oder Quantenpunkte in mikroporösem dreidimensionalem GaN.
Bei einem Aufbringen des Konvertermaterials auf die Strukturelemente nach dem Aufbringen der Strukturelemente auf die Halbleiterschichtenfolge kann vorteilhaft vermieden werden, dass beim Prozess des Ablösens der Strukturelemente von einem weiteren Substrat und beim Anordnen der Strukturelemente auf der Halbleiterschichtenfolge das Konvertermaterial beeinträchtigt oder beschädigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf die Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge eine Schicht auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, welche Konvertermaterial umfasst und welche die Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge ausbildet.
Das Konvertermaterial kann vorteilhaft vor dem Aufbringen der Strukturelemente auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden, wodurch eine Schicht umfassend das Konvertermaterial mit ihrem Brechungsindex vorteilhaft gut an den Brechungsindex der abstrahlenden Schicht der Halbleiterschichtenfolge angepasst werden kann um eine Einkopplung von Licht aus der Halbleiterschichtenfolge in die Schicht mit dem Konvertermaterial zu verbessern. Das Anpassen des Brechungsindex wird vorteilhaft begünstigt durch eine Verwendung von Materialien für die Strukturelemente mit einem Brechungsindex zwischen dem der Halbleiterschichtenfolge und dem Konvertermaterial, einer Vermeidung von Lufteinschlüssen im Konvertermaterial und/oder zwischen den Strukturelementen, dem Konvertermaterial und/oder der Halbleiterschichtenfolge.
Weiterhin ist es möglich, dass die Maske ein Konvertermaterial umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge und die dreidimensionalen Strukturelemente mit einem Matrixmaterial überzogen.
Das Überziehen der Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge mit den dreidimensionalen Strukturelementen mit einem Matrixmaterial erhöht vorteilhaft die Haftung der Strukturelemente auf der Halbleiterschichtenfolge. Bei dem Matrixmaterial kann es sich vorteilhaft um ein Dielektrikum, Silikon oder um ein anderes Matrixmaterial handeln, wobei das Matrixmaterial lichtkonvertierende Materialien oder Partikel enthalten kann. Die Anwendung des Matrixmaterials erweist sich besonders vorteilhaft für die Haftung von Strukturelementen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leuchtdiode ein Substrat mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, und eine Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen auf einer abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdiode und/oder auf einer Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge, wobei die Oberfläche als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet ist.
Die Leuchtdiode wird vorteilhaft gemäß dem angegebenen Verfahren hergestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Leuchtdiode ergeben sich daher aus der Beschreibung des Verfahrens.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:

1a, 1b, 1c, 2 und 4 jeweils eine Leuchtdiode in einer schematischen Seitenansicht während dem Herstellungsverfahren,
3a und 3b ein weiteres Substrat bei Aufbringen von dreidimensionalen Strukturelementen in einer schematischen Seitenansicht,
3c eine Suspension mit den Strukturelementen und das Aufbringen der Strukturelemente auf eine Leuchtdiode in einer schematischen Seitenansicht,
5a und 5b Formen der Strukturelemente, und
6 die Anordnung von Strukturelementen auf einer Leuchtdiode in einer Draufsicht.

Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Die 1a zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Herstellung einer Leuchtdiode 10, wobei auf einem Substrat 1 eine lichtemittierende Halbleiterschichtenfolge 2, vorteilhaft mit einem epitaktischen Aufwachsprozess, angeordnet wird. Das Substrat 1 umfasst vorteilhaft Saphir oder Silizium. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist einen pn-Übergang auf, wobei Halbleiterschichten 2b und 2c jeweils n- und p-dotiert sind und beispielsweise GaN umfassen, und die p-dotierte Halbleiterschicht 2c eine Oberfläche 2a als Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 bildet. Alternativ dazu kann die Halbleiterschichtenfolge 2 auch mehrere Schichten umfassen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Maske 4 auf die Oberfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht, wobei die Maske vorzugsweise ein transparentes und leitfähiges Material (TCO), beispielsweise ITO, ZnO oder SnO₂ umfasst. Zur Verbesserung der Lichtauskopplung kann das Material der Maske so gewählt sein, dass es einen Brechungsindex aufweist, welcher an den Brechungsindex der darunterliegenden Halbleiterschicht 2c angepasst ist.
Die 1b zeigt die Leuchtdiode 10 aus der 1a, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt die Maske 4 strukturiert wird, so dass die Maske 4 nach der Strukturierung Öffnungen 4a aufweist. Die Öffnungen 4a weisen vorteilhaft einen Durchmesser D von kleiner als oder gleich 5 µm auf.
Die Strukturierung erfolgt nach dem Aufbringen der Maske beispielsweise mittels eines Lithographieprozesses oder während dem Aufbringen mittels eines selbstorganisierenden Prozesses. Eine selbstorganisierte Strukturierung des Maskenmaterials kann auch nach dem Aufbringen erfolgen.
Die Öffnungen 4a können vorteilhaft in Draufsicht auf die Maske 4 ein Raster bilden. Vorteilhaft können Bereiche der Maske 4, in welchen keine Auskopplung des Lichts aus der Halbleiterschichtenfolge 2 erfolgen soll, keine Öffnungen aufweisen. In diesen Bereichen sind somit Folgeprozesse zum Ausbilden von weiteren Komponenten wie beispielsweise Elektroden oder Metallisierungen vorteilhaft vereinfacht. Im Falle eines transparenten und leitfähigen Materials der Maske 4 kann die Maske 4 vorteilhaft zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes, beispielsweise eines p- oder eines n-Kontaktes der Halbleiterschichtenfolge 2, oder als eine stromaufweitende Schicht für die Halbleiterschichtenfolge 2 verwendet werden.
Die Öffnungen 4a legen vorteilhaft das Halbleitermaterial der unterhalb der Maske 4 liegenden Halbleiterschicht 2c mit deren Oberfläche 2a frei.
Die 1c zeigt die Leuchtdiode 10 aus der 1b, wobei in den Öffnungen 4a dreidimensionale Strukturelemente 3 vorteilhaft epitaktisch dreidimensional gewachsen werden. Die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 wird durch die Strukturelemente 3 vorteilhaft vergrößert. Weiterhin kann vorteilhaft eine Umverteilung der Abstrahlwinkel erreicht werden, um Totalreflexion innerhalb der Leuchtdiode zu reduzieren.
Die 2 zeigt eine Leuchtdiode 10 gemäß der 1a, wobei keine Maske auf die Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht wird. Die dreidimensionalen Strukturelemente 3 werden beispielsweise durch einen selbstorganisierenden Wachstumsprozess erzeugt.
Das Erzeugen von dreidimensionalen Strukturelemente 3 durch einen selbstorganisierenden Wachstumsprozess erfolgt vorzugsweise ohne Anwendung einer Maske auf der Halbleiterschichtenfolge 2 direkt auf der Abstrahlfläche einer Oberfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Verteilung der Strukturelemente 3 auf der Oberfläche 2a erfolgt dabei zufällig.
Die 3a zeigt in einer schematische Seitenansicht ein Aufwachsen von dreidimensionalen Strukturelementen 3 auf einem weiteren Substrat 1a.
Auf dem weiteren Substrat 1a ist vorteilhaft eine Halbleiterschicht 2d angeordnet, auf welchem eine Maske 4 angeordnet wird, wobei die Maske 4 in einem weiteren Verfahrensschritt strukturiert wird, so dass die Maske 4 nach der Strukturierung Öffnungen 4a aufweist. Die Halbleiterschicht 2d kann dabei beispielsweise GaN umfassen. Die Maske 4 kann beispielsweise mittels Lithographie strukturiert werden oder in einem selbstorganisierenden Prozess strukturiert ausgebildet werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden dreidimensionale Strukturelemente 3 in den Öffnungen 4a epitaktisch dreidimensional gewachsen.
Ein Ausbilden von dreidimensionalen Strukturelementen 3 auf einem weiteren Substrat 1a ermöglicht vorteilhaft einen Herstellungsprozess der dreidimensionalen Strukturelemente 3 ohne eine besondere Rücksichtnahme auf das weitere Substrat 1a, welches in weiterer Folge nach einem Ablösen der dreidimensionalen Strukturelemente 3 keine weitere Funktion für die Leuchtdiode hat. So kann die Herstellung von dreidimensionalen Strukturelementen 3 unter Bedingungen wie beispielsweise hoher Temperatur erfolgen, welche bei der Herstellung von Strukturelementen 3 auf einer Halbleiterschichtenfolge 2 das Halbleitermaterial dieser oder Metall- und/oder Dielektrikaschichten, die zuvor auf dieser aufgebracht wurden schädigen würde.
Das weitere Substrat 1a kann dabei vorteilhaft Saphir oder Silizium umfassen.
Die 3b zeigt in einer schematische Seitenansicht das weitere Substrat 1a von welchem in einem Verfahrensschritt die epitaktisch dreidimensional gewachsenen Strukturelemente abgelöst wurden. Das Ablösen der Strukturelemente 3 vom weiteren Substrat 1a kann in beliebiger Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Hochdruckprozess, ein Reinigungsprozess oder ein Abschälprozess angewandt werden.
Die 3c zeigt das Einbringen der abgelösten Strukturelemente in eine Flüssigkeit 5 zur Bildung einer Suspension, bei welcher es sich beispielsweise um Lack oder Wasser oder Lösemittel handeln kann. Weiterhin werden die abgelösten Strukturelemente mit der Flüssigkeit auf die Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft beliebig aufgebracht. Die Suspension mit den Strukturelementen 3 wird auf die Halbleiterschichtenfolge 2 aufgesprüht oder aufgeschleudert, wobei eine beliebig dicke Schicht der Suspension erzielt werden kann.
Weiterhin werden die Strukturelemente 3 mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition auf der Oberfläche 2a der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet.
Die vorteilhaft durch einen Prozess wie etwa Aufsprühen oder Aufschleudern auf die Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebrachte Suspension weist vorteilhaft stochastisch verteilte Strukturelemente 3 in der Suspension auf. Mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition der Strukturelemente 3 kann das Anordnen dieser auf der Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 vorteilhaft beeinflusst werden.
Die 4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Leuchtdiode 10, wobei die Oberfläche 2a der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge 2 und die dreidimensionalen Strukturelemente 3 mit einem Matrixmaterial 8 überzogen werden. Das Überziehen der Oberfläche 2a der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge 2 und der dreidimensionalen Strukturelemente 3 mit einem Matrixmaterial 8 erhöht vorteilhaft die Haftung der Strukturelemente 3 auf der Halbleiterschichtenfolge 2. Bei dem Matrixmaterial 8 kann es sich vorteilhaft um ein Dielektrikum, Silikon oder um ein anderes Matrixmaterial handeln, wobei das Matrixmaterial 8 lichtkonvertierende Materialien oder Partikel enthalten kann.
Die Anwendung des Matrixmaterials 8 erweist sich vorteilhaft zur Haftung von Strukturelementen 3, welche eine Ausdehnung von beispielsweise einem Durchmesser D von größer als 10 µm aufweisen.
Die 5a zeigt eine schematische Ansicht der Strukturelemente 3, welche pyramidal (linke Figur) beispielsweise in hexagonaler oder dreieckiger Grundfläche, als Prisma (mittlere Figur) mit hexagonaler oder dreieckiger Grundfläche oder als eine Kombination beider ausgebildet werden können. Weiterhin wird in einem Prozessschritt Konvertermaterial 6 auf die dreidimensionalen Strukturelemente 3 aufgebracht.
Die 5b zeigt die Strukturelemente 3 aus der 5a, wobei bei der Herstellung der Strukturelemente 3 das Konvertermaterial 6 in die dreidimensionalen Strukturelemente 3 eingebracht wird und eine lichtkonvertierende Zone bildet. Die lichtkonvertierende Zone kann je nach Material der Strukturelemente 3 asymmetrisch auf verschiedene Kristallfacetten aufgewachsen werden, wobei sich nach Fertigstellung der Strukturelemente 3 das Konvertermaterial 6 innerhalb der Strukturelemente 3 befindet.
Bei dem Konvertermaterial 6 kann es sich dabei vorteilhaft um ein Halbleitermaterial handeln, beispielsweise um ein Material aufweisend Quantentopfstrukturen, jedoch sind auch andere Typen von Konvertermaterialien anwendbar. Durch das Konvertermaterial 6 kann mittels der Strukturelemente daher auch eine wellenlängenabhängige Filterung des zu emittierenden Lichts erfolgen. So kann beispielsweise UV-Licht aus der emittierten Strahlung herausgefiltert werden oder die Transmission von kurzwelliger Strahlung verbessert werden.
Es ist auch denkbar Konvertermaterialien gleichzeitig in und auf die Strukturelemente 3 ein- und aufzubringen, wobei es sich auch um unterschiedliche Konvertermaterialien bei den jeweiligen Strukturelementen oder betreffend ein einziges Strukturelement handeln kann.
Die 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Oberfläche 2a der Halbleiterschichtenfolge 2, wobei eine Maske 4 auf der Oberfläche 2a aufgebracht ist und in strukturierten Öffnungen dreidimensional gewachsene Strukturelemente 3 aufweist.
Ein Bereich der Maske 4, in welchen keine Auskopplung des Lichts aus der Halbleiterschichtenfolge 2 erfolgen soll, weist keine Öffnungen in der Maske 4 auf. In diesem Bereich ist, im Falle eines transparenten und leitfähigen Materials der Maske 4, die Maske selbst als p- oder n-Kontakt (11) der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet oder wird als eine stromaufweitende Schicht für die Halbleiterschichtenfolge 2 verwendet.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) mit den Schritten - Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), - Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (3) auf eine Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberfläche (2a) als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) ausgebildet ist, wobei für das Aufbringen der Strukturelemente (3) die folgende Methode verwendet wird: - Bereitstellen eines weiteren Substrats (1a), wobei auf dem weiteren Substrat (1a) eine Maske (4) angeordnet wird, wobei die Maske (4) strukturiert wird, so dass die Maske (4) nach der Strukturierung Öffnungen (4a) aufweist, wobei die dreidimensionalen Strukturelemente (3) in den Öffnungen (4a) dreidimensional gewachsen werden, wobei die dreidimensional gewachsenen Strukturelemente (3) vom weiteren Substrat (1a) abgelöst werden, wobei die vom weiteren Substrat (1a) abgelösten Strukturelemente (3) zur Bildung einer Suspension in eine Flüssigkeit (5) eingebracht werden und mit der Flüssigkeit (5) auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) und/oder der Leuchtdiode (10) aufgebracht werden, - Einbringen eines Konvertermaterials (6) in die dreidimensionalen Strukturelemente (3), wobei - die Strukturelemente (3) mittels Sedimentation und/oder elektrophoretischer Deposition auf der abstrahlenden Oberfläche der Leuchtdiode (10) und/oder auf der Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet werden, - die Flüssigkeit (5) ein Lösemittel oder Wasser ist, und - das Konvertermaterial (6) nach dem Aufbringen der Strukturelemente (3) in die Strukturelemente (3) eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach Anspruch 1, bei dem die vom weiteren Substrat (1a) abgelösten Strukturelemente (3) mit der Flüssigkeit (5) auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode (10) aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Suspension mit den Strukturelementen (3) auf die abstrahlende Oberfläche der Leuchtdiode (10) und/oder auf die Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) aufgesprüht oder aufgeschleudert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) mit den Schritten - Bereitstellen eines Substrats (1) mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), - Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (3) auf eine Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberfläche (2a) als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) ausgebildet ist, wobei für das Aufbringen der Strukturelemente (3) die folgende Methode verwendet wird: - Aufbringen einer Maske (4) auf die Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Maske (4) strukturiert wird, so dass die Maske (4) nach der Strukturierung Öffnungen (4a) aufweist, und die dreidimensionalen Strukturelemente (3) in den Öffnungen (4a) dreidimensional gewachsen werden, wobei die Strukturierung der Maske (4) mittels eines selbstorganisierten Prozesses erfolgt - Einbringen eines Konvertermaterials (6) in die dreidimensionalen Strukturelemente (3), wobei das Konvertermaterial (6) während des Wachstums der Strukturelemente (3) in die Strukturelemente (3) eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach Anspruch 4, bei dem die Maske (4) mit einem Material gebildet wird, welches an den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) an deren Abstrahlfläche angepasst ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Öffnungen (4a) einen Durchmesser (D) von kleiner als oder gleich 5 µm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor dem Aufbringen einer Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (3) auf die Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2) eine Schicht auf die Halbleiterschichtenfolge (2) aufgebracht wird, welche Konvertermaterial (6) umfasst und welche die Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2) ausbildet.
Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2) und die darauf angeordneten dreidimensionalen Strukturelemente (3) mit einem Matrixmaterial (8) überzogen werden.
Leuchtdiode (10) umfassend - ein Substrat (1) mit einer darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), und - eine Mehrzahl von dreidimensionalen Strukturelementen (3) auf einer Oberfläche (2a) der lichtemittierenden Halbleiterschichtenfolge (2), wobei die Oberfläche (2a) als eine Abstrahlfläche der Halbleiterschichtenfolge (2) ausgebildet ist, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, - die Strukturelemente (3) mikroporöses GaN aufweisen, in die ein Konvertermaterial (6) eingebracht ist.